CN1252287C - 直接熔融装置和方法 - Google Patents

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Abstract

直接冶炼法的容器包括含有金属层和渣层的熔池，在渣层上有气体连续空间，该容器包括一个或多个喷枪/风口，向下延伸到容器中，将含氧气体喷入金属和渣层之上。该容器包括数对喷枪/风口，向下和向内延伸到容器中，喷射供料和载气到熔池中，穿过金属层，并形成产生自熔池的带动熔融材料向上的气体流。成对的喷枪/风口分配在容器的周围，每对喷枪/风口之一在至少200℃的温度下喷射供料，另一个在低于200℃的温度下喷射供料。

Description

直接熔融装置和方法
本发明涉及在含有熔池的冶金容器中，从含金属的供料如铁矿石、特别是还原的铁矿石和含金属的废液来生产熔融金属(该述语包括金属合金)，特别是但不仅仅是铁的装置和方法。
本发明特别涉及熔融金属熔池基直接冶炼装置和从含金属的供料生产熔融金属的方法。
直接从铁矿石〔部分还原的铁矿石〕生产熔融金属的方法通常称为“直接冶炼方法”。
一种已知的直接冶炼方法，通常称为Romelt法是基于使用大体积、高搅动渣池作为媒介用于将顶装金属氧化物冶炼成金属和用于二次燃烧(post-combustion)气体反应产物和传递所需的热继续冶炼金属氧化物。Romelt法包括通过低排风口把富氧空气或氧气喷入渣中从而提供渣搅动、通过上排风口把氧气喷入渣中以便促进二次燃烧。在Romelt法中在渣下面形成的金属层不是重要的反应媒介。
其他渣基直接冶炼法通常描述为“深渣法”。这些方法如DIOS和AISI法基于形成深层渣。与Romelt法相同，渣层下的金属层不是重要的反应介质。
依靠熔融金属层作为反应媒介的另外的已知直接冶炼法，通常称为HIsmelt，在国际申请PCT/AU96/00197(WO96/31627)中以申请人的名字被描述。
在该国际申请中描述的Hismelt法包括：
a.在容器中形成具有金属层和在金属层上的渣层的熔池；
b.喷入熔池：
(i)含金属的供料，特别是金属氧化物；和
(ii)固体碳材，特别是煤，作为金属氧化物的还原剂和能源；和
c.在金属层中将含金属的供料冶炼成金属。
HIsmelt法也包括用含氧气体二次燃烧反应气体，如CO和H2，该反应气体从熔池上部空间释放出来，和将二次燃烧产生的热传递到熔池用于冶炼含金属的供料所需的热能。
HIsmelt法还包括在熔池的名义静止表面之上形成过渡区，其中含有上升和其后下降的熔融金属和渣的液滴或溅沫或流束，它们提供有效的媒介来把在熔池上二次燃烧反应产生的热能传递到熔池。
HIsmetl法的优选形式特征在于，借助于通过容器侧壁向下和向内延伸的喷枪，通过把载气、含金属的供料、固体碳材和任选的助熔剂喷入熔池，形成过渡区，从而载气和固体材料穿过金属层并引起熔融材料从熔池被投射出来。
该种形式的HIsmelt法较较早形成的该法有所改善，它通过风口把载气和固体碳材从底部喷入熔池，引起熔融材料的液滴、溅沫和流束从熔池被投射出来，从而形成过渡区。
申请人在中间试验容器中对上述HIsmelt法的优选形式进行了细致的中间试验工作，该中间试验容器的炉缸直径2.74m。中间试验容器的尺寸，认为每年生产100000吨熔融金属，比工业尺寸容器小。工业尺寸容器每年至少能够生产500000吨熔融金属。典型地，工业尺寸容器每年能够生产1-1.5百万吨熔融金属。这样的工业尺寸容器必须具有大于2.74m的炉缸直径。在中间试验工作和中间试验工作之后申请人进行了容器的开发工作，用于工业操作。在开发工作中获得本发明。
按照本发明，提供了用直接冶炼法从含金属的供料生产金属的容器，该容器包括含有金属层和在金属层上的渣层的熔池，在渣层上具有气体连续空间，该容器包括：
a.壳体；
b.由耐火材料构成的炉缸，具有与熔池接触的底部和侧面；
c.侧壁，从炉缸的侧面向上延伸并且与渣层和气体连续空间接触；
d.一个或多个喷枪，向下延伸到容器中，将含氧气体喷入容器中金属层和渣层的上方；
e.数对喷枪，向下和向内延伸到容器中，喷射包括含金属的供料和碳材和载气的供料到熔池中，从而穿过金属层，并产生来自熔池的气体流，该气体流载有从金属层和渣层向上的熔融材料作为熔融材料的溅沫、液滴和流束并形成在气体连续空间的过渡区，成对的喷枪分配在容器的周围，每对喷枪中的一个喷射供料，主要是含金属的供料，在至少200℃的温度下进行(此后称作“热”喷枪)，每对喷枪的另外一个喷射供料，主要是碳材，在低于200℃的温度下进行(此后称作“冷”喷枪)；和
f.用于从容器排放熔融金属和渣的装置。
优选容器是工业尺寸容器，每年能够至少生产500,000吨熔融金属。
优选热喷枪在至少600℃下喷射供料。
在指定的供料的情况中术语“主要的”被理解为通过给定喷枪喷射的至少50％重量的供料是指定的供料。
优选供料是固态。供料可以是液态或气态和固态。顺便提及，碳材可以是固态、液态或气态。
优选热喷枪不喷射挥发性的碳材。
热喷枪可以喷射非挥发性碳材，如焦炭。
典型的是，热喷枪在至少200℃的温度下喷射含金属的供料和非挥发性碳材。
通过冷喷枪喷射给料不限定为碳材，可以包括装置返料。
优选任何给定的成对的喷枪的喷枪相对于彼此而放置，从而喷枪朝着喷枪分开的点喷射。
术语“冶炼”这里被理解为热加工，其中发生还原金属氧化物的化学反应，从而产生液体金属。
术语“金属层”这里被理解为金属占大部分的熔池的区域。特别地，该术语覆盖了包括在金属连续体中散布的熔融渣的区域或地区。
术语”渣层”这里被理解为渣占大部分的熔池的区域。特别地，该术语覆盖了包括在渣连续体中散布的熔融金属的区域或地区。
含金属的供料可以是任何适合的材料和任何的形式。优选的含金属的供料是含铁的材料。含铁的材料可以是铁矿石、部分还原的铁矿石、DRI(直接还原的铁)、碳化铁、轧制铁鳞、高炉灰、烧结细粉末、BOF灰或这些材料的混合物。
在部分还原铁矿石的情况下，预还原程度可以从相对低的水平(如到FeO)到相对高的水平(如70-95％金属化)。
热喷枪的载气可以相同于或不同于冷喷枪的载气。
优选冷喷枪的载气不含氧或为氧不足的气体。
优选载气含有氮。
过渡区不同于渣层。顺便解释的是，在工艺中稳定的操作条件下，渣层包括在液体连续体中的气泡，而过渡区包括在气体连续体中的熔融材料主要是渣的溅沫、液滴和流束。
优选喷入到容器中的含氧气体二次燃烧反应气体，如在熔池表面之上的上部空间(包括过渡区)熔池中产生的一氧化碳和氢，和二次燃烧产生的热传递到金属层以保持熔池的温度-从在该层的吸热反应角度这是必要的。
固体给料如含金属的给料和固体碳材，通过成双的喷枪朝向和其后喷入金属层，步骤如下：
a.喷入的固体材料/载气(和任何液体或气体给料)的动量引起固体材料/载气穿过金属层；
b.碳材，典型的是煤，被去除挥发份，从而在金属层中产生气体；
c.碳大部分溶解进入金属，部分仍为固体；
d.来自于上述c.的喷入碳的碳将含金属的材料冶炼成金属，冶炼反应产生一氧化碳气体；和
e.传输进入到金属层的气体和通过去挥发份和冶炼所产生的气体产生熔融金属、固体碳和渣从金属层显著地上升浮力，这导致熔融材料的溅沫、液滴和流束的向上移动，当这些溅沫、液滴和流束向上移动时夹带更多的渣。
优选选择喷射含氧气体的一个或更多个喷枪的位置和操作参数和控制过渡区的操作参数，从而
a.朝向和穿过过渡区喷射含氧气体；
b.过渡区在每个喷枪的下部周围向下延伸，从而在一定程度上防护容器的侧壁免受每个喷枪末端产生的燃烧区的伤害；和
c.存在描述为“自由空间”的气体连续空间，它实际上在每个喷枪末端不含有金属和渣。
c.项是重要的特征，因为可以使容器顶部空间的反应气体被吸入到每个喷枪末端的区域，并使反应气体在该区域二次燃烧。
优选容器包括至少两个喷射含氧气体的喷枪。
优选容器包括相对高(但不是特别高)的渣总量，渣的量用作控制工艺的方法。
术语“相对高的渣总量”可以理解为容器中渣的量与金属的量相比较的情况。
根据本发明还提供了一种直接冶炼方法，用于在冶金炉中从含金属的供料生产金属，如上所述，该方法包括步骤：
a.在容器中形成具有金属层和在金属层之上的渣层的熔池；
b.通过数对喷枪将包括含金属供料和碳材以及载气的供料喷入熔池中，每对喷枪之一在至少200℃的温度下喷射供料，主要是含金属的供料，另外一个喷枪在低于200℃的温度下喷射供料，主要是碳材，冶炼金属层中的含金属的材料，从而供料和载气喷射引起金属层的气流，该气流夹带金属层中的熔融材料，带动熔融材料向上作为溅沫、液滴和流束，在渣层之上的容器气体连续空间中形成过渡区。
c.在金属层中将含金属的供料冶炼成金属；和
d.通过一个或多个喷枪将含氧气体喷入容器中，二次燃烧熔池释放的反应气体，从而上升而后下降的熔融材料的溅沫、液滴和流束利于将热传递到熔池，从而过渡区降低了通过与过渡区接触的侧壁而来自于容器的辐射热损失。
参照附图借助于实施例进一步描述本发明。
图1是本发明容器的优选实施例图解形式的俯视图，容器的顶部被去除，说明了在容器周围成对喷枪的布置。
图2是沿图1的线A-A通过容器的纵剖面。
下面的描述是铁矿石冶炼成熔融铁的情况，可理解的是本发明不限于此申请，可以应用到任何适合的金属铁矿石和/或聚合物-包括部分还原的金属铁矿石和废物返料。
图中所示的容器有：包括耐火砖形成的底座3和侧壁55的炉缸；侧壁5，它形成从炉缸壁55向上延伸的大致圆柱筒，包括上筒部分51和下筒部分53；炉顶7；排放气体的出口9；能够连续排放熔融铁的前炉缸81；连接炉缸和前炉缸81的前炉缸连接部分71；排放熔融渣的出口61。
在使用中，容器包括铁和渣的熔池，熔池包括熔融铁层15和在金属层15之上的熔融渣层16。数字17标志的箭头表明铁层15的名义静止表面，数字19标志的箭头表明渣层16的名义静止表面。术语“静止表面”理解为没有向容器喷入气体和固体时的表面。
容器还包括4对固体喷射喷枪11a，11b，以30-60℃角度向下并向内延伸穿过侧壁5并进入到渣层16中。每对中的一个“热”喷枪被安置将至少200℃的铁矿石和载气喷入容器，每对中的一个“冷”喷枪被安置将低于200℃的冷煤和载气喷入容器。典型的是，载气是氮或其他适合的惰性气体。每对喷枪11a，11b的位置被选择以便任何一对给定喷枪朝容器的同一点大量喷射固体材料。此外，选择喷枪11a，11b的位置以便于在稳态工艺条件下低端在铁层15的静止表面17之上。
用于热喷枪的铁矿石和载气可以用任何合适的装置(未示出)加热到至少200℃的温度。
在使用中，通过喷枪11a，11b将含有铁矿石、固体碳料(典型的是煤)和助熔剂(典型的是石灰石和白云石)的载气喷入铁层15。固体材料/载气的动量引起固体材料和气体穿过铁层15。将煤去挥发份从而在铁层15中产生气体。碳部分溶解进入金属，部分残留作为固体碳。将铁矿石冶炼成金属，冶炼反应产生一氧化碳气体。传输到金属层和通过去挥发份和冶炼所产生的气体产生熔融金属、固体碳和渣(喷射固体/气体的结果是被拉入到铁层15)自铁层15的显著上浮力，这产生熔融材料的溅沫、液滴和流束的向上运动，当它们移动通过渣层时夹带渣。
申请人在中间试验工作中已经发现，产生至少0.30Nm3/s/m2铁层15面积(以静止金属平面17被计算)的从铁层15的气体流动速度，引起铁层15和渣层16的剧烈搅拌，结果如下：
a.渣层16体积膨胀，具有箭头30表示的表面；和
b.铁层15和渣层16每个大致是均质的，每个渣层具有合理的均一温度，典型的是1450-1550℃，并每层具有合理的均一成分。
上述熔池产生气体的向上移动和熔融材料和所产生的固体碳从铁层15上升浮力产生：
a.过渡区23，和
b.将某些熔融材料(主要是渣)投射到过渡区之外，到达过渡区23之上的侧壁5的上筒部分51和炉顶7。
通常，渣层16是液态连续体，其中有气泡，过渡区23是带有熔融金属和渣的溅沫、液滴和流束的气体连续体。
容器还包括两个垂直伸展的喷枪13用于将含氧气体(典型的是预热富氧空气)喷入容器。喷枪13的位置和穿过喷枪13的气流率被选择从而在稳态工艺条件下含氧气体穿过过渡区23，并在喷枪13的末端维持必要的金属/渣自由空间25。
在使用中，通过喷枪13含氧气体的喷入二次燃烧过渡区23中和在喷枪13末端周围的自由空间25中的反应气体CO和H2，在气体空间产生2000℃数量级的高温。将该热传递到在气体喷射区域的向上和向下的熔融材料的溅沫、液滴和流束，然后当金属/渣返回到铁层15时热被部分传递到铁层15。
在每个喷枪13末端周围的自由空间25对于获得二次燃烧的高水平是重要的，它超过40％，因为它能够将在过渡区23之上的空间中的气体夹带入喷枪13的末端，从而增加可反应气体的暴露量从而二次燃烧。
喷枪13的位置、通过喷枪13的气体流率和熔融材料的溅沫、液滴和流束的向上移动相结合的效果是，限制喷枪13下部区域周围的过渡区23的形状-通常用数字27标识。这些限制形状的区域对由辐射到侧壁5的热传递提供了部分障碍。
此外，熔融材料的上升、下降的液滴、溅沫和流束是将热从过渡区23传递到熔池的有效途径，结果是在侧壁5区域的过渡区温度在1450-1550℃数量级。
当在稳态工艺条件下进行工艺操作时，参照容器中铁层5、渣层16和过渡区23的水平，和当在稳态操作条件下进行工艺操作时，参照投射到过渡区23之上的顶部空间31的熔融材料的溅沫、液滴和流束来构建容器，从而：
a.炉缸和与铁/渣层15/16接触的侧壁5的下部圆筒部分53用耐火材料砖形成(图中用交叉阴影线表示)；
b.至少侧壁5的下部圆筒部分53的部分由水冷板8支持；和
c.与过渡区23和顶部空间31相接触的侧壁5的上部圆筒部分51和顶部7由水冷板57，59构成。
每个水冷板8，57，59具有平行的上部和下部边缘和平行的侧边缘，并被弯曲以形成一个圆柱筒部分。每个板包括内部水冷管和外部水冷管。将管成形为具有用弯曲部分相互连接的水平部分的蜿蜒外形。每个管子还包括水入口和水出口。将管子垂直间隔放置，以便从板的暴露面即暴露于容器内部的一面来看，外管的水平部分不是紧贴在内管水平部分的后面。每个板还包括填塞的耐火材料，填充在每个管子邻接的直的部分之间和管子之间的空间。
管子的水入口和水出口相连接成水供给回路(未示出)，该回路使水以高流动速率通过管道流动。
可以对所述的本发明优选实施方案进行许多修改，而不偏离精神和范围理论。

Claims (13)

1.用直接冶炼法从含金属的供料生产金属的容器，该容器包括含有金属层和在金属层上的渣层的熔池，并在渣层上具有气体连续空间，该容器包括：
a.壳体；
b.耐火材料构成的炉缸，具有与熔池接触的底部和侧面；
c.侧壁，从炉缸的侧面向上延伸并且与渣层和气体连续空间接触；
d.一个或多个喷枪，向下延伸到容器中，将含氧气体喷入容器的金属和渣层之上的容器中；
e.数对喷枪，向下和向内延伸到容器中，喷射包括含金属的供料和碳材的供料和载气到熔池中，从而穿过金属层，并形成产生自熔池的气体流，该气体流载有从金属层和渣层向上的熔融材料作为熔融材料的溅沫、液滴和流束并形成在气体连续空间的过渡区，成对的喷枪分配在容器的周围，每对喷枪之一喷射供料在至少200℃的温度下进行，称作热喷枪，每对喷枪的另外一个喷射供料在低于200℃的温度下进行，称作冷喷枪；和
f.用于从容器排放熔融金属和渣的装置。
2.权利要求1所述的容器，其特征在于，热喷枪喷射至少600℃的供料。
3.权利要求1或2的容器，其特征在于，热喷枪不喷射挥发的碳材。
4.权利要求1或2的容器，其特征在于，热喷枪喷射不挥发的碳材。
5.权利要求4所述的容器，其特征在于，热喷枪在至少200℃的温度下喷射含金属的供料和非挥发性的碳材。
6.权利要求1或2的容器，其特征在于，任何给定的成双喷枪的喷枪相对于彼此被放置，从而喷枪朝向所述容器中离开该成对喷枪的一位置喷射供料。
7.权利要求1或2的容器，其特征在于，含金属的供料是含铁的材料。
8.权利要求1或2的容器，其特征在于，冷喷枪的载气不含有氧或是氧气不足的气体。
9.权利要求1或2的容器，其特征在于，通过一个或多个含氧气体喷射喷枪喷射的含氧气体二次燃烧在熔池之上的顶部空间的熔池产生的反应气体，二次燃烧产生的热被传递到金属层从而维持熔池的温度。
10.权利要求1或2的容器，其特征在于，容器包括至少两个含氧气体喷射喷枪。
11.权利要求1所述的容器，其特征在于，通过所述热喷枪喷射的供料中至少50％重量比的供料是含金属的供料。
12.权利要求1所述的容器，其特征在于，通过所述冷喷枪喷射的供料中至少50％重量比的供料是碳材。
13.一种在上述权利要求任何一项所述的冶金容器中从含金属的供料生产金属的方法，该方法包括步骤：
a.在容器中形成具有金属层和在金属层之上的渣层的熔池；
b.通过向下和向内延伸到容器中的数对喷枪将包括含金属供料和碳材的供料以及载气喷入熔池中，每对喷枪之一在至少200℃的温度下喷射供料，主要是含金属的供料，另外一个喷枪在低于200℃的温度下喷射供料，主要是碳材，冶炼熔池中的含金属的材料，从而供料和载气喷射引起来自金属层的气流，该气流夹带金属层中的熔融材料，带动熔融材料向上作为溅沫、液滴和流束，在渣层之上的容器中的气体连续空间中形成过渡区；
c.在金属层中将含金属的供料冶炼成金属；和
d.通过一个或多个喷枪将含氧气体喷入容器中，二次燃烧熔池释放的反应气体，从而上升而后下降的熔融材料的溅沫、液滴和流束将热传递到熔池，从而过渡区降低了通过与过渡区接触的侧壁而从容器的辐射热损失。
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